Statische Dichtungen - Universität Stuttgart

DICHTUNGSTECHNIK – freiwillige Übungen – Prof. Werner Haas, IMA Universität Stuttgart
- Statische Dichtungen Mit diesen Aufgaben sollen die wichtigsten Grundkenntnisse über häufig verwendete
statische Dichtungen aufgefrischt und vertieft werden.
SD 1
Elastomer-Formdichtungen
1. Welcher physikalische Dichtmechanismus ist die Grundlage der Abdichtung bei Elastomer-Formdichtungen
(Rechteck-Ring; O-Ring; X-Ring)? Welche konstruktiven und betrieblichen Forderungen ergeben sich aus
diesem Mechanismus?
2. Die Durchmesser der O-Ringe sind ab Lager nur abgestuft erhältlich. Wie kann trotzdem auf jedem beliebigen
Durchmesser abgedichtet werden?
3. Welche Fluide sind abdichtbar? Welche Wechselwirkungen sind in Betracht zu ziehen?
4. Welche Standard-Elastomere sind verfügbar? Unter welchen Betriebsbedingungen sind sie einsetzbar? Was
kosten Sie?
5. Welche Druckdifferenz ist mit O-Ringen abdichtbar? Was ist bei hoher Druckdifferenz besonders zu beachten?
6. Auf welche Weise können O-Ringe beim Zusammenbau der abzudichtenden Maschinenteile beschädigt
werden und welche konstruktiven Maßnahmen sind dagegen vorzusehen?
7. Für jeden Abdichtdurchmesser sind O-Ringe mit unterschiedlicher „Schnurdicke“ verfügbar. Nach welchen
Kriterien ist die Schnurdicke zu wählen?
8. Welche Kräfte sind bei O-Ring-Abdichtungen zur Montage und insbesondere zur Demontage erforderlich?
Welche konstruktiven Maßnahmen sind zur Beherrschung bzw. zur Vermeidung dieser Kräfte vorzusehen?
9. Unter welchen Bedingungen muss mit Verschleiß von O-Ringen gerechnet werden, die relativ zueinander
ruhende Maschinenteile abdichten? Was ist dagegen zu tun?
SD 2
Flachdichtungen und Profildichtungen
1. Welche physikalischen Verhältnisse erfordern ein „Vorpressen“ von elasto-plastischen Flachdichtungen („ltDichtungen“)? Wie groß sind die erforderlichen Vorpresskräfte? Bestehen Unterschiede der erforderlichen Vorpressung bei Flüssigkeils- und Gasdichtungen?
2. Welche Dichtkräfte sind im Betrieb unter der Einwirkung des abzudichtenden Drucks erforderlich? Wie kann
das Verspannungsschaubild einer verschraubten Flanschverbindung zum Nachweis der Dichtsicherheit verwendet werden?
3. Welche Betriebsbedingungen erfordern metallische Dichtungen zwischen relativ zueinander ruhenden
Maschinen- oder Geräteteilen? Welche Elemente werden verwendet, wenn die Dichtfuge im Kraftfluss bzw.
nicht im Kraftfluss der Verbindungsschrauben liegen soll?
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SD 1
Elastomer-Formdichtungen
1. Welcher physikalische Dichtmechanismus ist die Grundlage der Abdichtung bei
Elastomer-Formdichtungen (Rechteck-Ring; O-Ring; X-Ring)? Welche
konstruktiven und betrieblichen Forderungen ergeben sich aus diesem
Mechanismus?
Der sogenannte automatische Dichtmechanismus. Oder anders formuliert
der abzudichtende Druck pflanzt sich in der Dichtung wie in einer hochviskosen Flüssigkeit fort und addiert sich der Vorpressung auf (siehe Skript
seite 2.1-2.2). Dazu muss die Vorpressung erhalten bleiben (Verschleiß,
Nutklaffen, Lunker im Dichtmaterial…) und der Dichtungswerkstoff muss
nahzu inkompressibel sein (sprich seine gummielastischen Eigenschaften
beibehalten, Stichwort Verhärtung, Schrumpfung, Qellung…)
2. Die Durchmesser der O-Ringe sind ab Lager nur abgestuft erhältlich. Wie kann
trotzdem auf jedem beliebigen Durchmesser abgedichtet werden?
Anpassung auf Abdichtdurchmesser durch 6% dehnen und 3%stauchen.
3. Welche Fluide sind abdichtbar? Welche Wechselwirkungen sind in Betracht zu
ziehen?
Nahezu alle Fluide sind abdichtbar, aber nicht mit einem einzigen Elastomerwerkstoff. Chemische Wechselwirkung Dichtungswerkstoff-abzudichtendes
Fluid beachten (Stichworte, Quellung, Schrumpfung, Verkleben, Verhärtung…)
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4. Welche Standard-Elastomere sind verfügbar? Unter welchen Betriebsbedingungen sind sie einsetzbar? Was kosten Sie?
NBR
FPM
PTFE
VMQ
ACM
HNBR
Abrieb
gut
sehr gut
sehr gut
mäßig
mäßig
sehr gut
Hochtemperatur
mäßig
max. +100 C
sehr gut
max. +200 C
sehr gut
max. +220 C
sehr gut
max. +180 C
gut
max. +150 C
gut
max. +140 C
Tieftemperatur
–40 C
–25 C
–80 C
–50 C
–30 C
–40 C
Ölbeständigkeit
gut
sehr gut
sehr gut
mäßig
gut
gut
Preis
1
8-10
10
3
2,5
6-7
FFKM (Handelsname Kalrez) -15°C-310°C, Preis 700
5. Welche Druckdifferenz ist mit O-Ringen abdichtbar? Was ist bei hoher Druckdifferenz besonders zu beachten?
Alle technisch relevanten Drücke sind abdichtbar (mehrere 1000bar), Extrusion
ist zu vermeiden (Abhilfe Backring)
6. Auf welche Weise können O-Ringe beim Zusammenbau der abzudichtenden
Maschinenteile beschädigt werden und welche konstruktiven Maßnahmen sind
dagegen vorzusehen?
Abscherung an scharfen Kanten. Abhilfe: Einfahrschräge, überfahrene
Bohrungen zurücksetzten oder mit Fase/Radius versehen.
7. Für jeden Abdichtdurchmesser sind O-Ringe mit unterschiedlicher „Schnurdicke“ verfügbar. Nach welchen Kriterien ist die Schnurdicke zu wählen?
Schnurdicke so dick als möglich,
aber auf handelsübliche Schnurstärken achten 1,78-2,62-3,53-5,33-7
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8. Welche Kräfte sind bei O-Ring-Abdichtungen zur Montage und insbesondere
zur Demontage erforderlich? Welche konstruktiven Maßnahmen sind zur Beherrschung bzw. zur Vermeidung dieser Kräfte vorzusehen?
Es können sehr hohe Haftreibungskräfte auftreten, daher ev. Abdrückgewinde
vorsehen.
9. Unter welchen Bedingungen muss mit Verschleiß von O-Ringen gerechnet
werden, die relativ zueinander ruhende Maschinenteile abdichten? Was ist dagegen zu tun?
Bei dauerhaft pulsierenden Drücken. Die Walkbewegung des O-Rings ist durch
geeignet geformte Stützring zu unterbinden oder es sind andere Dichtprofile zu
verwenden, die wegen der besseren Nutausfüllung erst gar nicht walken.
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SD 2
Flachdichtungen und Profildichtungen
1. Welche physikalischen Verhältnisse erfordern ein „Vorpressen“ von elastoplastischen Flachdichtungen („lt-Dichtungen“)? Wie groß sind die erforderlichen
Vorpresskräfte? Bestehen Unterschiede der erforderlichen Vorpressung bei
Flüssigkeils- und Gasdichtungen?
Die Leckagewege im Dichtmaterial und an den Flanschen müssen durch Verformung/plastisches Fließen des Dichtungswerkstoffs verschlossen werden ->
Anpassung bei der Montage.
Die Vorpresskräfte richten sich nach der „Steifheit“ des verwendeten
Dichtungsmaterials. Beispielsweise sind Flächenpressung von einigen wenigen
N/mm2 bei elastomeren Dichtmaterial aufzubringen, bei metallischen Dichtwerkstoffen bis 300 N/mm2
Beispiel Kupferring, Innendurchmesser 50mm, 3mm Ringbreite, erforderliche
Flächenpressung 150 N/mm2, erfordert ca. 75 kN also 7,5 Tonnen.
Bei 8 Schrauben wären das ca. 9,4 kN pro Schraube. Schraubenvorauswahl
nach Roloff/Matek benötigt man 8 M8-Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8.
Bei einer Flüssigkeitsabdichtung sind nicht so hohe Flächenpressungen notwendig wie bei einer Gasabdichtung.
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2. Welche Dichtkräfte sind im Betrieb unter der Einwirkung des abzudichtenden
Drucks erforderlich? Wie kann das Verspannungsschaubild einer verschraubten Flanschverbindung zum Nachweis der Dichtsicherheit verwendet
werden?
Trotz einer eventuell öffnenden Kraft durch den abzudichtenden Druck, trotz
thermischer Dehnungen und trotz Verformung der Flansch durch die
Schraubenkräfte muss an jeder Stelle der Dichtung eine Mindestflächenpressung herrschen.
Im Verspannungsschaubild muss trotz Betriebskraft FA noch eine ausreichend
hohe Restklemmkraft FKl herrschen.
F
FA
S
FV
P
FKR > FB
l
3. Welche Betriebsbedingungen erfordern metallische Dichtungen zwischen
relativ zueinander ruhenden Maschinen- oder Geräteteilen? Welche Elemente
werden verwendet, wenn die Dichtfuge im Kraftfluss bzw. nicht im Kraftfluss der
Verbindungsschrauben liegen soll?
Metallische Dichtungen werden bei sehr hohen Einsatztemperaturen (150600°C) verwendet.
Im Kraftfluss liegt die Dichtung zwischen den Flanschen und wird mit der
ganzen Schraubenkraft beaufschlagt. Beim Kraftnebenschluß wird die Dichtung
in einer Nut nur bis zu einem gewissen Grad komprimiert. Dies erfordert aber
eine dauerhaft elastisches Dichtungsmaterial.